航空發(fā)動機(jī)中回?zé)崞鱾鳠岷妥枇π阅艿臄?shù)值模擬

林 坤

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安710089）

間冷回?zé)岷娇瞻l(fā)動機(jī)能夠在很大程度上提高航空發(fā)動機(jī)的性能與節(jié)能環(huán)保水平。橢圓形管回?zé)崞魇且环N十分先進(jìn)的回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)，其具備十分突出的優(yōu)勢，即傳熱特性。而既有數(shù)值研究基本上都是以多孔介質(zhì)模型作為載體，根本無法切實反映回?zé)崞鞯膬?nèi)部流場，不僅如此，通過整體式模型，還需具備大型服務(wù)性，并耗費大量計算時間。因此，進(jìn)一步詳細(xì)分析橢圓回?zé)崞鱾鳠崤c阻力性能，實現(xiàn)回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)優(yōu)化具有非常重要的現(xiàn)實意義[1]。

1 航空發(fā)動機(jī)中回?zé)崞鱾鳠崤c阻力性能

1.1 傳熱與阻力性能

構(gòu)建橢圓形管回?zé)崞髂Ｐ?，具體幾何參數(shù)值如表1所示。通過進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)無關(guān)聯(lián)分析，能夠獲得最終數(shù)值所計算的獨立解，并合理設(shè)置邊界條件和數(shù)值方法，以此計算分析，以此獲取傳熱與壓降數(shù)值計算結(jié)果[2]。結(jié)果顯示，橢圓形管回?zé)崞鞯呐悹枖?shù)與壓降都會在雷諾數(shù)的影響下出現(xiàn)變化，呈正向關(guān)系，并且在雷諾數(shù)不斷增大的趨勢下，壓降增加的幅值會明顯上升[3]。

表1 橢圓形管回?zé)崞髂Ｐ蛶缀螀?shù)值 mm

對橢圓形管回?zé)崞鱾鳠崤c阻力性能進(jìn)行詳細(xì)分析，熱性能指標(biāo)太過單一，無法明確回?zé)崞餍阅艿膬?yōu)劣，因此應(yīng)全面考慮傳熱與壓降等相關(guān)要素。對此，利用總熵增率法，以能量為基礎(chǔ)對回?zé)崞鱾鳠崤c阻力性能進(jìn)行評估。其中，在既定單位時間內(nèi)回?zé)崞魉a(chǎn)生的損失主要包括壓力與溫度兩部分。所謂總熵增率實際上就是給回?zé)崞鱾鬏攩挝粺崃康臅r候，消耗的可用能源，也就是隨著總熵增率不斷變小，那么回?zé)崞骶C合性能就會隨之提高。而橢圓形管總熵增率會在雷諾數(shù)不斷增大的趨勢下逐漸提高，所以說，橢圓管回?zé)崞骶C合性能是在雷諾數(shù)增大的影響下逐漸減小的，雷諾數(shù)越小，綜合性能就會越好。總熵增率計算公式為

式中：Q為回?zé)崞髟趩挝粫r間內(nèi)的平均換熱量，J；T1與T2為流體進(jìn)出口溫度，℃；qv為流體體積流量，m3/s；Δp為壓降，Pa；T0為環(huán)境溫度，℃；Ys為總熵增率。

1.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)影響

合理選擇重復(fù)段作為數(shù)值計算對象，以此有效降低模擬計算量，并保證回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)具備一定程度的對稱性和重復(fù)性。選擇4種不同結(jié)構(gòu)尺寸，改變橢圓形管的長軸與短軸，促使回?zé)崞鞯臋E圓形管截面面積相同，模型長寬相同，設(shè)置無量綱參數(shù)為橢圓管的長短軸比[4]。具體不同模型幾何參數(shù)如表2所示。

表2 不同模型幾何參數(shù) mm

管間距相同的條件下，計算不同長短軸回?zé)崞鞯膫鳠崤c壓降數(shù)值，可以得知，在無量綱參數(shù)在長短軸比逐漸增大的影響趨勢下，努賽爾數(shù)不會發(fā)生太大改變，但是壓力梯度會逐漸縮小。而在長短軸比相同時，努賽爾數(shù)和壓力梯度會直接受雷諾數(shù)增大的影響，隨之逐漸增大。這主要是因為雷諾數(shù)增加，導(dǎo)致流體流速增大，從而快速沖洗了傳熱壁面，邊界層變薄，流體換熱得以強(qiáng)化。而且流體流速增加會使得橢圓形管對流體造成的阻力增大，而產(chǎn)生的壓力損失也會增大。但是，長短軸比對壓降影響明顯大于傳熱，所以，在傳熱滿足的基礎(chǔ)上，可以適度提高長短軸比，以縮減壓力損失，減少損耗。通過4種不同橢圓形管長短軸比回?zé)崞鞯目傡卦雎视嬎?，可以發(fā)現(xiàn)，總熵增率會在雷諾數(shù)增加的趨勢下，不斷增大，也就是說回?zé)崞骶C合性能會隨之減小。而在雷諾數(shù)相同的基礎(chǔ)上，隨著長短軸比增大，總熵增率會逐漸減小，即回?zé)崞鞯木C合性能會在長短軸比增加的影響下，不斷提高。

1.3 布管方式影響

在橢圓形管結(jié)構(gòu)參數(shù)既定的基礎(chǔ)上，橫向間距與縱向間距都會直接影響回?zé)崞鞯膫鳠崤c壓降性能。其一，橫向間距的影響。橢圓形管尺寸相同時，橫向間距的擴(kuò)大，會導(dǎo)致努賽爾數(shù)隨之縮小，壓降則是呈現(xiàn)先減小然后再增大的狀態(tài)。橫向間距對傳熱的影響明顯較大，因此，在滿足壓降的基礎(chǔ)上，應(yīng)該適當(dāng)縮減橫向間距，以此降低壓力損耗。為了綜合對比分析傳熱與阻力性能，引用總熵增率法，其中總熵增率會在雷諾數(shù)的影響下隨之變化，即回?zé)崞骶C合性能會在雷諾數(shù)增加的趨勢下不斷下降，而在雷諾數(shù)相同時，橫向間距越大，總熵增率的變化趨勢為先行減小再有所增大，即在橫向間距增加的趨勢下，回?zé)崞鞯木C合性能會呈現(xiàn)出先升高再下降的狀態(tài)。但是還需注意的是，橫向間距越大，那么其對于回?zé)崞骶C合性能造成的影響也會逐漸減小。其次，縱向間距影響。在管間距相同時，縱向間距不斷增大，努賽爾數(shù)和壓降會不斷縮小。為了對比分析傳熱與阻力性能，引用總熵增率法，其中總熵增率會在雷諾數(shù)明顯增加的影響下逐漸提高，也就是說回?zé)崞骶C合性能會隨著雷諾數(shù)增加不斷減小。而在雷諾數(shù)相同時，縱向間距不斷擴(kuò)大，總熵增率則會逐漸減小，也就是在縱向管間距逐漸擴(kuò)大的情況下，回?zé)崞鞯木C合性能會大大提高。但是，縱向間距越大，對綜合性能的影響會不斷減小[5-6]。

2 航空發(fā)動機(jī)中回?zé)崞鞯慕Y(jié)構(gòu)與性能優(yōu)化

2.1 截面形狀優(yōu)化

基于傳熱學(xué)理論，回?zé)崞鱾鳠徇^程公式為

式中：Q1為熱負(fù)荷；K為總傳熱系數(shù)；A為換熱面積，m2；ΔTm為冷熱流體對數(shù)平均溫差，℃。

在回?zé)崞魃a(chǎn)與設(shè)計優(yōu)化時，可以采取總傳熱系數(shù)提升、換熱面積擴(kuò)大、對數(shù)平均溫差提高等措施，促使傳熱性能得到有效提升。但是，如果工藝基礎(chǔ)相對穩(wěn)定，那么物料溫度一般不會隨意變化，總傳熱系數(shù)也不會出現(xiàn)太大改變，所以，在橢圓形管中添加平行段，以此擴(kuò)大換熱面積，提高傳熱性能，實現(xiàn)截面形狀優(yōu)化。

選擇4種不同結(jié)構(gòu)尺寸，改變平橢圓形管的平行段長度與高度，促使回?zé)崞鹘孛婷娣e相同，長寬相同，并與橢圓形管回?zé)崞鞯哪Ｐ?進(jìn)行比較分析。設(shè)置無量綱參數(shù)為平行段長度與高度比，具體幾何尺寸參數(shù)如表3所示[7]。

2.1.1 傳熱與阻力性能

在管間距和長寬度相同時，對不同尺寸的平橢圓形管回?zé)崞鬟M(jìn)行數(shù)值模擬計算，并與橢圓形管回?zé)崞鬟M(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)，平橢圓形管努賽爾數(shù)明顯較大，也就是說平橢圓形管回?zé)崞鞯膫鳠嵝阅苊黠@更具優(yōu)勢。在雷諾數(shù)逐漸增大的趨勢下，努賽爾數(shù)與壓降也逐漸增大。其中，模型4的傳熱性能最優(yōu)化，而模型3的阻力性能最優(yōu)化。

表3 不同模型幾何參數(shù) mm

2.1.2 綜合性能

為了綜合比較分析傳熱與阻力性能，引入總熵增率法，并與橢圓形管回?zé)崞鬟M(jìn)行比較分析，可以發(fā)現(xiàn)，總熵增率法會在雷諾數(shù)增加的趨勢下，逐漸增大，也就是說回?zé)崞骶C合性能與雷諾數(shù)之間呈反向關(guān)系。而在雷諾數(shù)既定時，平橢圓形管總熵增率明顯較小，也就是說平橢圓形管回?zé)崞鞯木C合性能明顯更具優(yōu)勢。其中，模型3的綜合性能最優(yōu)化。

2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)影響

隨著平橢圓形管的平行段長高度比不斷增大，努賽爾數(shù)與壓降呈先減小后增大的趨勢，但是整體上并未出現(xiàn)太大波動。而通過合理利用總熵增率法進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)，在雷諾數(shù)既定的基礎(chǔ)上，平行段長高度比越大，總熵增率法則呈現(xiàn)先減小后增大的狀態(tài)，而在長高度比為0.713時，回?zé)崞骶C合性能最優(yōu)化。

2.3 布管方式影響

其一，橫向間距影響。在間距逐漸擴(kuò)大的影響下，努賽爾數(shù)與壓降不斷縮小，而且壓降降低速度逐漸減小，橫向間距對于傳熱的影響相對較大。而利用總熵增率法進(jìn)行對比，可知如果雷諾數(shù)是既定的，那么橫向間距越大，總熵增率就會呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，也就是在橫向間距增加的影響下，回?zé)崞骶C合性能則會先提高再降低。其二，縱向間距影響。在間距不斷擴(kuò)大的趨勢下，努賽爾數(shù)與壓降會隨之縮小。通過引用總熵增率法比較分析，可知，既定雷諾數(shù)條件下，縱向間距越大，總熵增率則會隨之減小，綜合性能就會不斷增強(qiáng)，而且在間距不斷增大的形勢下，總熵增率的下降速度與綜合性能提高速度都會有所減緩[8]。

3 基于場協(xié)同原理強(qiáng)化回?zé)崞鱾鳠崤c阻力性能

基于場協(xié)同原理針對回?zé)崞鬟M(jìn)行強(qiáng)化傳熱研究，回?zé)崞鞯膱鰠f(xié)同原理就是利用調(diào)整冷熱流體的流動方式，提高回?zé)崞餍阅?。流體的換熱強(qiáng)度與流速、溫度梯度以及兩者夾角相關(guān)（協(xié)同角θ）。

從公式中可知，溫度梯度和速度方向保持一致或相反的狀態(tài)下，回?zé)崞魈幱谧罴褷顟B(tài)，效果最優(yōu)，因此，可以適當(dāng)以減小協(xié)同角的方式實現(xiàn)傳熱強(qiáng)化。基于全局協(xié)同角，體積平均協(xié)同角是最為常見的，其公式為

通過計算可知，橢圓形管回?zé)崞髋c平橢圓形管回?zé)崞鞯膱鰠f(xié)同角變化趨勢始終一致。在回?zé)崞鞯倪M(jìn)口位置處，在一定范圍下，速度和溫度夾角的變化會越來越小。但是，在回?zé)崞鲀?nèi)部，協(xié)同角會發(fā)生很大幅度的波動，且存在一定的周期性。平橢圓形管回?zé)崞鞯膱鰠f(xié)同角波動比較大，這就說明平橢圓形管回?zé)崞鞯慕Y(jié)構(gòu)具備強(qiáng)有力的強(qiáng)化傳熱效果[9-10]。

4 結(jié)論

通過上文分析可知，航空發(fā)動機(jī)回?zé)崞鞯呐悹枖?shù)與壓降會在雷諾數(shù)增加的趨勢下不斷增大，而總熵增率會隨著雷諾數(shù)增加則增大，所以回?zé)崞骶C合性能在雷諾數(shù)越小的狀態(tài)下最佳。為了進(jìn)一步保證強(qiáng)化傳熱性能，實現(xiàn)了橢圓形管截面形狀優(yōu)化與改善，并詳細(xì)分析了平橢圓形管回?zé)崞鳎ㄟ^比較分析傳熱與阻力性能，可知，在管間距、截面面積與長寬度相同的基礎(chǔ)上，平橢圓形管的努賽爾數(shù)明顯要大，所以說平橢圓形管回?zé)崞鞯膫鳠嵝阅芨?。而平橢圓形管回?zé)崞髋c橢圓形管回?zé)崞鞯膱鰠f(xié)同角變化趨勢始終保持一致，而平橢圓形管回?zé)崞鞯膱鰠f(xié)同角波動比較強(qiáng)烈，這就代表著平橢圓形管結(jié)構(gòu)具有明顯的強(qiáng)化傳熱效果。